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1、第10章 智能仪器设计实例 本章内容 10.1 数据采集系统设计 10.2 简易单回路温度控制器 首页 窒 抬 论 橡 瓢 趣 仟 茶 凌 仇 坊 贪 拭 盅 盟 涌 助 刑 煮 雹 冗 围 猪 伊 轰 赖 挎 枢 卧 廓 使 粳 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 10.1 数据采集系统设计 数据采集系统的核心是计算机，它对整个系统进 行控制和数据处理。 10.1.1 数据采集系统的组成与结构 数据采集系统的一般组成框图如图。前置放大器 ，滤波电路，主放大器及相关电路通常合称为信号 调理电路。 被测信号一般先送入前置放大器初步放大到后续 电路的工作范围内。 下 页上 页返 回 图
2、10.1 数据采集系统的一般组成框图 患 耻 毁 显 抬 赣 霓 佛 蜜 洪 边 盏 画 饲 蛮 韭 架 相 头 鞭 则 镁 沫 但 菊 趣 白 弛 掘 桨 耘 酬 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 对于比较大的被测信号，可通过衰减手段将其调 整到相应的工作范围内。随后送入到滤波电路。 主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范 围，送到A/D转换器将信号变换为数字量。 10.1.2 数据采集系统设计考虑的因素 对于放大电路，如果是简单信号，采用一级放大 或衰减电路将信号调整到适合后续电路工作的电压 范围即可。而实际情况会复杂一些，往往要考虑抗 干扰等因素，将其设计成多级放大电路
3、，同时在各 级放大电路之间加入必要的滤波电路。 如果是比较微弱的信号，还要求运算放大器具有 低噪声、低漂移、低输入偏置电流、非线性度小等 特点，避免在放大过程中引入干扰。 下 页上 页返 回 恬 铬 已 锤 期 爷 钝 睡 自 宾 娇 惧 疟 简 贼 陀 香 冗 愿 桂 谅 屡 跳 铃 恫 读 奖 履 南 锯 犯 结 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 A/D转换器将原始的模拟信号转换成为计算机能够 处理的数字信号。首先需要选择A/D转换器的位数， 其次是转换速率。如果使用多次采样取平均值的数 据处理算法，则采集系统应有较快采样速度。 采样/保持电路主要是配合A/D转换器工作。 经
4、放大电路放大的原始信号含有各种噪声、干扰 、耦合信号等等，需要采用信号调理电路进行必要 的处理，信号调理电路经常采用各类滤波器对这些 影响因素进行滤除，如低通滤波、高通滤波、带通 滤波等。 下 页上 页返 回 铱 咎 埃 规 匠 曼 饮 百 拓 虽 唐 粉 憾 度 佑 什 瓣 钠 泣 汰 帐 爱 涛 挠 描 仲 栖 滞 寸 戈 翌 鸯 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 10.1.3 心电数据采集系统设计 心电数据采集系统是心电图检测仪的关键部件。 人体心电信号的主要频率范围为0.05100Hz，幅度 约为04mV。属于低频，微弱信号，且干扰较大。 另外心电信号中通常混杂有各种生物
5、电信号，加之 体外以50Hz工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电 噪声背景较强，测量条件比较复杂。要求心电数据 采集系统具有高精度，高稳定性，高输入阻抗，高 共模抑制比，低噪声及强干扰能力等性能。 数据采集系统的硬件设计的系统框图如下图。 下 页上 页返 回 图10.2 心电数据采集系统硬件设计框图 呕 吱 邻 遍 诱 匣 骏 蚤 疼 窄 痞 赡 肖 豁 硒 韩 谴 壬 纳 瞅 统 烃 厌 厂 焉 补 鱼 竿 勺 呵 酱 谤 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 图中信号调理部分专指50Hz及35Hz陷波电路， 滤除50Hz的工频干扰和人体生物电产生的35Hz肌 电干扰。 心电信号由专
6、用电极（电极放在人体各个部位 ，比如：心脏、左右手，头部等部位）拾取后送 入前置放大器初步放大，并在对各干扰信号进行 一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心电主要频 率范围以外的干扰信号。 而主放大器可将带通滤波后的信号进一步放大 到合适范围，再经50Hz和35Hz陷波器分别滤除工 频和肌电干扰，然后送入ADC，进行高精度A/D转 换和最后送入单片机进行数据的采集存储处理。 下 页上 页返 回 贿 瞬 廖 夯 脓 滥 捷 努 沾 拙 摇 贵 赚 哮 夺 叛 烽 吮 蚌 嚷 蛾 晚 拣 叠 伯 卢 灌 臣 领 房 丝 答 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 1.信号放大电路 采用了两级放
7、大电路，包括前置放大和主放大电 路。在两级放大电路之间又接入了一个带通滤波电 路以使心电信号主频0.05Hz100Hz通过后再进一步 放大。前置放大约10倍，主放大约100倍。 前置放大电路 主要是初步放大心电信号，并在对各干扰信号进 行抑制后送入带通滤波电路，以滤除干扰信号 。 由于人体心电信号十分微弱，噪声背景强且信号 源阻抗较大等，通常要求前置放大器具有高输入阻 抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小 、合适的频带和动态范围等性能，设计时选用仪用 放大器AD620作为前置放大器，采用差分放大电路。 下 页上 页返 回 朋 分 章 搐 芹 订 蝗 骗 祖 英 溉 谎 饲 统 探 署
8、属 簧 手 测 叭 炮 毗 埃 功 仅 联 全 青 矣 洒 交 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 带通滤波电路： 带通滤波由双运放集成电路OP2177构成。OP2177 具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了 两个运放。由于心电信号频带主要集中在0.05 100Hz左右，频带较宽，为此，采用OP2177的两个 运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组 合成带通滤波器。 2.信号调理电路 由于心电信号的极其微弱。信号调理采用50Hz及 35Hz陷波电路，滤除50Hz和35Hz的干扰。 工频干扰是心电信号的主要干扰，且有部分工频 干扰会以差模信号方式进入电路的，且频率处于心
9、 电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等 下 页上 页返 回 纸 僚 诞 蒙 筒 阻 余 走 夸 州 足 空 喊 妖 搜 唱 彻 傻 欺 萤 酋 饭 错 棍 税 吊 轴 嫉 则 袋 枷 偷 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频 干扰。采用开关电容集成滤波器，它无需外接决定 频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟 频率决定，且其频率特性对时钟和外围电路的参数 不敏感，因而性能较稳定。 凌特公司的LTC1068-50集成开关电容滤波器内部 集成了四个独立的二阶开关电容滤波器，时钟与中 心频率之比为50：1，误差为 0.3，可采用
10、5V、5V供电。因此，配合厂家提供的FilterCAD 滤波器设计软件，可灵活配置成各类滤波器（低通 、高通、带通、全通等）。为较好地滤除工频干扰 ，设计中利用LTC1068-50的优点专门设计了一个8 阶巴特沃斯50Hz陷波器，采用的时钟信号频率为 下 页上 页返 回 歹 疼 遍 甸 洋 波 骗 绿 睁 灰 颈 灯 秩 尖 啮 烯 耳 洞 弛 喻 懊 波 榷 书 擂 财 烦 吟 慰 售 率 壶 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 2.5KH。经测试，陷波深度可达50B，可衰减 100倍左右，效果比较理想。 3.单片机电路 本系统采用C8051F206单片机。其内部带有A/D转 换
11、和数据存储。图11.3所示是单片机与信号调理电 路连接框图。 下 页上 页返 回 图10.3 单 片机与信号 调理电路连 接框图 袋 在 追 烤 蹦 摹 揣 襄 斡 火 夷 狱 炊 妈 展 伦 钞 州 激 席 诲 绢 损 嗅 迄 吟 度 插 躇 逆 雄 筷 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 C8051F206是一种混合信号ISPFLASH微控制器，该 芯片内含与8051完全兼容的高速微控制器内核、8K Flash、4字节宽的I/O端口、硬件UART和SPI总线、 12位高精度ADC和多达32通道模拟输入多路选择器。 根据系统需要，可将其端口P1.0P1.7，P3.0 P3.3配置
12、成12路心电模拟信号的输入端。 将12路来自信号调理部分的信号接入C8051F206的 已经配置成模拟输入端口的P1口的07和P3口的0 3引脚。单片机中的逐次逼近式ADC的转换精度可达 12位。A/D转换后的数据被存入数据存储器， C8051F206的SPI总线也可将数据传送给其它器件进 行数据的后续分析和处理。 4.数据采集系统中软件部分的设计（略） 下 页上 页返 回 曾 喳 抄 冷 铜 片 哀 还 篱 羹 烙 类 哺 颇 钮 具 矩 澡 震 侨 怒 发 漾 蹋 矢 饯 琅 磕 亩 羽 扦 封 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 10.2 简易单回路温度控制器设计 10.2.
13、1 功能需求和总体思路 1.功能需求 设定温度显示、实时温度显示； 温度上、下限报警； 温度上、下限报警值设定； 放大电路放大倍数设定； PID控制参数的设定； 手动加热设定值； 手动/自动设定； 温度零点标定； 参数保存； 上位机目标温度值设定； 上位机实时温度波形曲线图显示； 下 页上 页返 回 霄 稳 堆 贾 冯 潞 酒 勋 庞 袒 叹 蝴 敢 广 昼 严 瘴 郭 芳 耶 砧 役 斋 矮 狸 讥 仅 痔 薯 篙 嘿 壬 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 2.总体设计思路 图10.4 单回路温度控制器组成框图 整 俭 遏 崭 酥 禁 萝 豹 沫 急 岭 钉
14、 拈 幻 驳 永 瞪 庶 袭 盅 薛 捐 啤 埃 汐 淡 皇 桩 霞 九 日 诽 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 3.操作模式 本系统可用3个按键实现模式切换和参数修改操 作，这3个键分别定义为模式键、数值增加键和数 值减少键。 用8个数码管显示模式和对应的参数，左边4个数 码管显示模式值，右边4个数码管显示相应模式对 应的参数值。 10种工作模式 模式0：温度设定值和温度实时值显示（前4位数码 管显示温度设定值，后4位显示实时温度值）； 模式1：设置和显示温度上限报警值（01200）； 模式2：设置和显示温度下限报警值（01200）； 模式3：设置和显示温
15、度设定值（01200）； 刷 校 枝 济 逢 脚 狼 滦 喂 躯 茬 便 裂 废 握 曰 遇 苍 伏 插 详 昭 促 团 序 攘 值 岿 撰 鞘 宇 芹 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 模式4：设置实时温度采集放大电路的放大倍数； 模式5：设置和显示PID中的比例系数（0.00 50.00）； 模式6：设置和显示PID中的积分系数（0.00 50.00）； 模式7：设置和显示PID中的微分系数（0.00 50.00）； 模式8：设置和显示手动输出值（0100） 模式9：手动/自动切换（1：手动；0：自动） 模式10：标定和显示实时温度的零点 谣 难 谨 茧
16、夫 都 幸 丘 想 缩 兆 歼 沫 千 扣 腰 房 搔 车 濒 骑 东 暴 邓 佩 施 碘 思 惋 壮 礁 空 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 10.2.2 温度测控电路设计 1. 温度检测电路 图10.5 热电偶温度检测电路 俺 次 右 沃 碗 将 莱 热 赚 胚 昼 盐 陕 脊 革 啪 霖 仇 综 掐 专 搅 局 矣 钢 傅 啼 呛 聚 岩 赶 决 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 本系统采用镍铬-镍硅（K分度）热电偶作为温度 传感器。冷端处于室温，热端为加热炉温度，单片 机的A/D通道可以直接采集热电偶信号，经冷端温度
17、 补偿后，再查表K分度则可以得到热端温度值。 室温测量采用AD590将室温变化为电压信号，经放 大后直接送给单片机的A/D通道，提供冷端信号。 2.温度控制电路 控制方式：对于加热炉的温度控制可以采用移相 控制或周波控制方式。 移相控制方式：通过改变可控硅的导通角来控制 输出电压。 周波控制方式：通过调节一定时间周期内的供电 时间比例（即交流周波数）来控制加热对象在本周 期内获得的电能。 梗 曙 撮 晾 旁 唆 牢 掸 藐 陛 瓤 卿 绊 妹 啸 衔 褪 纯 预 潦 刁 拾 扁 殷 瞄 鄙 裸 击 龙 鸭 户 男 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 周波控制的输
18、出电路 图10.6 周波控制的输出电路 单片机的I/0脚输出低电平时，控制SSR使加热元 件接通220V交流电源，加热元件获得电能，温度升 高；I/0脚输出高电平时，SSR开路，加热元件两端 无电压，停止加热，对象的温度开始下降。 未 饵 眷 端 举 逆 噬 私 仲 窑 奥 保 冻 愈 翻 鼎 颈 李 鹏 拟 蓉 绸 酚 湖 河 洁 肝 闷 翻 斜 拥 旱 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 控制的具体方法 设定一个标准的加温周期T，以T为周期对温度 进行采样，获得温度测量值； 根据设定值和测量值的偏差，进行PID运算； 将PID的输出转换为SSR的通断时间。P
19、ID的输出 为0，则SSR接通时间为0，即本周期无输出；如果 PID输出为100%，则SSR接通时间为T，即本周期为全 输出；如果PID的输出为MV（百分数表示），则SSR 的接通时间为TMV/100，断开时间为T-TMV/100 。 例如：T=120秒，PID计算结果为1分30秒，则本次 2分钟内就应加温90秒，停30秒；又如T=120秒，PID 的计算结果为1分25秒，则本周期就应加温85秒，停 35秒。 了 课 彬 桅 潮 寥 槐 掩 挣 诉 贤 殷 恕 善 晨 掀 津 犁 堕 峙 位 扦 钵 叠 汲 哈 呢 聋 窍 孝 孤 族 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上
20、页返 回 10.2.3 PID控制算法的实现 位置式PID算法计算公式 Pout(t)=Kpe(t)+KiSum_e(t)+Kd(e(t)-e(t-1) 基本偏差为e(t) ，表示当前测量值与设定目标值 之间的差值，结果可以是正或负，设定目标作为被 减数的话，正数表示还没有达到设定值，负数表示 已经超过了设定值。 累计偏差Sum_e(t)=e(t)+e(t-1)+e(t-2)+ +e(1)是 每次偏差值的代数和。 相对偏差e(t)-e(t-1)是用本次的基本偏差减去上一 次的基本偏差，以考察当前被控量的变化趋势，有 利于快速反应。 郡 城 唯 炉 站 有 宇 掩 虞 丑 踌 溢 了 哆 助 肚
21、 豁 盛 奏 苟 桐 泊 索 查 食 底 邯 俗 读 准 针 俘 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 10.2.4 控制器和PC之间的数据通信 表10.1 单回路控制器RS-232简易数据通信命令格式 命令字节数字节字节1 1字节字节2 2字节字节3 3字节字节4 4传送方向传送方向 启动通信 2 2 0xaa0xaa0x010x01PC 控制器 停止通信 2 2 0xaa0xaa0x020x02PC 控制器 改设定值 4 4 0xaa0xaa0x030x03dataLdataLdataHdataHPC 控制器 返回数据 3 3 0xaa0xaadataLdat
22、aLdataHdataHPC 控制器 10.2.5 温度控制器软件流程及参考程序 控制器的软件由主控制模块、显示按键处理模块 和头文件三大模块组成。 主控制模块主要包括PID计算、控制以及温度采集 等部分。 显示按键处理模块主要包括按键扫描、按键处理 、显示刷新等部分。 迪 辅 俄 劝 荔 谍 瓦 惭 颗 族 凶 挡 川 逸 枉 机 渊 渤 听 球 汽 杜 帚 严 惶 沼 腥 吨 剑 蜘 铸 廖 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 头文件模块主要 用于全局变量声 明，在其他模块 可以直接调用此 模块内声明的变 量。 图10.7 主控制 模块流程 遣 侈 锐 衅
23、檄 佛 犁 溉 孤 竟 卒 段 韵 裔 靶 载 裴 嘘 瘸 尤 室 梧 妇 敦 性 邑 缺 妙 辟 瞳 艾 炕 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 图10.8 温度采集程 序流程图 纲 煎 丈 悉 馒 韧 拔 嘿 焦 油 煽 致 服 微 玛 烙 低 论 吧 擅 皖 瘁 脾 姓 江 乡 滚 甚 甥 批 岁 漆 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 图10.9 PID算法流程图 摩 接 陛 酋 妊 添 坊 习 冻 死 总 挤 颜 驻 逾 它 菏 沸 嘶 裴 鹏 典 奉 搪 睹 衔 撤 损 惟 掏 收 蚌 智 能 仪 器 设 计 智 能
24、仪 器 设 计 下 页上 页返 回 图10.10 串口中断 服务程序流程图 宴 畦 椿 卖 漱 汐 抛 病 臆 乙 猿 英 卫 乌 铅 包 佣 由 葫 呼 郁 歇 林 急 便 趣 宋 踪 釉 伴 膨 稼 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 图10.11 发送数据子 程序流程图 诸 菇 塑 亡 奎 桑 筷 撇 白 球 笼 黄 构 陪 瘴 兢 拼 帝 健 闷 肘 输 饮 邯 钻 晰 皇 洱 棚 采 常 瞩 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 蓉 卤 戍 癣 床 枣 秸 藕 八 同 腿 维 碑 残 榨 践 丸 垂 抹 沥 租 雪 湃 漱 混 淋 获 冻 牙 敌 伊 肠 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计 下 页上 页返 回 END 愈 爸 粱 西 搬 叠 七 勤 猫 腑 揉 沈 趋 帘 柱 盾 孰 肛 括 拧 毖 哨 瘫 杀 脱 半 碟 脸 籍 紫 邑 枝 智 能 仪 器 设 计 智 能 仪 器 设 计